超临界控制

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1、由于煤的储量丰富且价格经济，所以一直 是世上电力企业的主要能源来源。但是， 随着对二氧化碳排放意识的增强，燃煤电 厂提高效率并减少排放的任务将更加严 竣。随着锅炉技术的日益复杂，控制策略 也必须跟上发展才能充分的提高性能。 根据世界煤炭协会的统计，燃煤生产了 全球40% 的电力，并且随着公司不断发 展，可以提供更清洁、更高效的燃煤电厂 运行技术，煤仍有望成为未来的一种燃料 选择。值得注意的是，美国的煤储量占全 球煤总储量的 29%。 超临界和超超临界直 流式锅炉技术正是随着新型材料和新设计 应运而生的技术之一，它将帮助电厂实现 更高的效率水平和易操作性。 对于超临界电厂而言，DCS （分散控制

2、系 统）的精确性和分辨率比在亚临界机组中 更重要。一个设计完美的控制系统可以提 供严格的调节，并能够精确地命中和维护 设置点，从而帮助电厂将这些机组所具备 的经济和环境潜力转化为资本。要了解其 中的原因，需要认真考查亚临界和超临界 电厂在设计和操作上的主要差别。 “超临界”是指设计工作压力高于临界温 度和临界压力的电厂。由于不需要传统的 核态沸腾，水简化了从液态到气态到转变 过程。对于水，超临界点在压力超过 3,207 psi 时出现。 与亚临界锅炉 1,800 到 2,500 psi 的压力 相比，超临界发电机组具有专门设计在 3,500 到 4,000 psi 压力下工作的直流式锅 炉。更

3、高的燃烧温度和压力带来了更高的 效率，其结果是燃煤所产生的每 BTU 热量 可转化为更多的电力。这对于电力企业来 说非常具有吸引力，因为效率的提升可以 减少燃料成本和排放成本。早期尝试的教训 超临界技术最早可追溯至 19 世纪 50 年 代， 但第一代超临界机组既不可靠又难于 控制，并被在高温高压工作条件下的维护 问题和材料缺陷所困扰。由于这些早期设 计无法在超临界和亚临界工作模式间方便 的切换，所以它必须在超临界范围内持续工作。这导致了整个循环的效率低下。例 如，即使在低负载时，锅炉供水泵也需在 4,000 psi 的范围内保持压力输出。由于这 个过程使用着电厂内的第二大涡轮，这会 导致相当

4、部分的能源消耗和机组磨损。 超临界技术最早可追溯至 19 世纪 50 年 代， 但第一代超临界机组既不可靠又难于 控制，并被在高温高压工作条件下的维护 问题和材料缺陷所困扰。由于这些早期设 计无法在超临界和亚临界工作模式间方便 的切换，所以它必须在超临界范围内持续 工作。这导致了整个循环的效率低下。例 如，即使在低负载时，锅炉供水泵也需在 4,000 psi 的范围内保持压力输出。由于这 个过程使用着电厂内的第二大涡轮，这会 导致相当部分的能源消耗和机组磨损。 出于这些考虑，业界在 19 世纪 70 年代 时大多倾向于鼓型锅炉。在这种设计中， 当水通过水冷壁循环时，转化为蒸汽。这 将使启动变慢

5、，并使对负荷变化的响应速 度减慢。 现在，由于改善了锅炉设计，最为显著 的是 Benson 直流式锅炉，加上锅炉管冶炼 技术的发展，新一代超临界机组在近十年 当中逐步赢得了认可。Benson 设计具有一 系列优势，包括简化启动和在滑压模式下 工作的能力。 与一般亚临界电厂 30-38% 的热效率相 比，今天的超临界机组可以获得 45% 以上 的热效率。由于它们在高压条件下能够发 挥最大的效率（机组在 70% 负荷时进入超 临界），超临界电厂通常是，并且将来也 是较大型的基本负荷机组。在世界上广泛的应用 一些先进的超临界机组正在美国兴建， 它 们将作为增加基本负荷发电量的设施。例 如，威斯康星电

6、力公司的 Elm Road 电站和 Xcel 能源公司的 Comanche 3 号机组等使 用的都是超临界锅炉。 然而， 绝大多数新型超临界机组是在亚洲 建造的，尤其是中国，那里正在以飞快的 速度建设电厂。这些新型电厂将提供用于 支持经济快速发展的基础设施，并为那些Charlie Menten Emerson Process Management超临界锅炉技术为燃煤电厂带来了全新的效率，但需要专业的控制策略。INSIDE ENERGY超临界控制august 2007 Covering control, instrumentation, and automation systems worldw

7、ideVol. 54 No. 8以前未接入电网的地区供电。为了支持中 国日益增长的电力需求，未来两年计划新 增 9 百亿瓦电量。 中国目前最值得关注的两个快速发展项 目分别是华能国际电力的华能玉环电厂和 中国华电集团公司的邹县发电厂 7 号和 8 号机组。两家均采用了艾默生的 Ovation 专家控制系统。首批四台机组中的两台机组 4,000 MW 华能玉环电厂比计划提前八个月完成并 网：华能玉环电厂的 1 号机组成功完成了 168 个小时满负荷试运营 这是新电厂投 入运营的一个重要的里程碑 2006 年 11 月 28 日 在这一天它成为中国第一台投 入商业运营的 1,000-MW 超超临界

8、机组。2 号机组于 2006 年 12 月 15 日完成并网， 并 于 2006 年 12 月 30 日完成 168 小时负荷试 运营 。 预计这两台超超临界机组每年的发 电量可达 110 亿千瓦。项目第二期 3 号和 4 号机组的建设将于 2008 年开始。 邹县电厂的 7 号和 8 号机组是中国首 批超超临界机组中能达到 1,000 兆瓦特 输出的机组之一。邹县电厂 7 号机组已 在 2006 年 12 月 4 日成功完成 168 小时负 荷试运营， 比原计划提前了约 9 个月。 邹 县机组还成为了中国发电厂中首次安装 Foundation 现场总线技术的表率。第四期 工程完成后，邹县电厂

9、将拥有八台机组， 总发电量达 4,540 MW， 有望成为中国最大 的燃煤电厂。 一家专业经验丰富并对控制鼓和直流式 超临界锅炉间的细微差别有着深刻理解的 供应商，由他们所提供的设计完善、功能 先进的控制系统对新机组的平稳启动和试 运转可起到巨大的推动作用。这种可靠的 自动化技术与实际知识的结合对于保证这些机组以最佳效率运转同样非常有益。 对于超临界机组，控制系统的精确性和 分辨率极为重要，良好的控制可以使发电 机将超临界机组设计的热捕捉能力转化为 资本。与鼓式锅炉不同，直流式超临界锅 炉不需要巨大的汽鼓来存储能量。由于没 有能量储存，控制系统必须准确持续的平 衡供水流量和锅炉加热速度（燃料和

10、空 气），满足涡轮的蒸 汽需求，以产生所需 的发电机电量。控制 系统能够更牢靠地控 制运行，并且精确地 命中和维护设置点， 这种能力将带来稳 定、稳态、无震动的 工作状态。这一点至 关重要，因为稳态基 本负荷工作是获得超 临界机组效率的关键 因素。实时应用 电力供应商相信，控 制系统可以始终严格控制电站运行，并且 无需频繁的操作员干预，他们可以通过应 用其他辅助的高级自动化和控制技术来提 高电站效率。这在永兴火力发电厂的 1 号 和 2 号机组上得到了证实，这些机组的优 点包括但不限于通过 CO 和 LOI （烧失量） 的降低提高了热效率。 该发电厂位于韩国首尔西南部 35 英里的 仁川， 发

11、电量达 1,600 MW。 永兴发电站的 1 号和 2 号机组于 2004 年上线；3 号和 4 号机组的发电量各为 870 兆瓦， 目前正在 建设过程中，它们将分别在 2008 年 6 月 和 2009 年 3 月投入使用。 每个超临界机组 都包含一个效率为 5,325,000 lb/hr 的直流 式单再热炉，以及一个串联复式四流单再 热、再生和冷凝式涡轮机。 永兴火力发电厂的心脏是集成控制监视 系统 (ICMS)， 此系统的基础是基于 Ovation 控制系统的艾默生 PlantWeb 数字体系结 构。该系统可以管理所有发电站体系，其 中包括协调锅炉和涡轮控制、燃烧器管 理、数据采集、马达

12、控制和工厂内部各流 程间的平衡。Ovation 系统可完全集成机组 流程，并无缝地接入 FGD （废气脱硫）、 ESP （静电除尘器）和辅助系统。 ICMS 采用高保真仿真系统，此系统将 Ovation 硬件和软件与建模软件结合使用 而成，以模拟启动、检查运行程序和测试2 august 2007 CONTROL ENGINEERING INSIDE ENERGY汽鼓可以使亚临界机 组更易于控制，但却 会牺牲效率。ONLINEFor more information visit: www.emersonprocess- www.kosep.co.kr/english新的应用程序软件。仿真系统可

13、以为培训 和帮助电站员工处理突发情况提供逼真的 环境，这为前期的试运行和调整铺平了道 路，并将电站的完工时间提前了大约三个 月。 ICMS 采用“AMS 设备管理组合：智能设 备管理系统”， 该系统可以监控电站智能设 备的压力、温度和水位传送器及控制阀。 借助此系统，电站工作人员可以预测和抢 先修复永兴电站设备的潜在问题，从而降 低维护成本和提高电站可靠性。 ICMS 的其他重要组件包括艾默生的 SmartProcess 优化软件。每个电站的情况 不尽相同，一系列各异的内外变动将影响 电站的有效运行。专为电站特定需求开发 的优化软件可以提高获得满意结果的机 会。 例如SmartProcess

14、软件，此软件可以通过 使用高级控制技术、模糊逻辑、高级多地 区模型网络和基于模型的预见性控制来优 化流程控制和监控，从而确保提高电站效 率和降低运行成本，并且遵守运行和规定 限制。更高的效率 SmartProcess 软件大约在永兴发电站的 1 号和 2 号机组投入生产后的三个月得以实 施。它使操作员可以首先按“设计情况”评 估电站性能（理论上应是何时电站效率最 高），然后在使用和运行优化软件后将此 基线与电站性能相比较。比较数据清楚呈 现了与优化软件直接相关效率情况。 在永兴发电站的 1 号和 2 号机组中， SmartProcess 软件优化了影响电站性能的 两个流程：蒸汽温度和燃烧。最小

15、化蒸汽 温度变化可以减少锅炉管道泄漏和对涡轮 叶片的损坏，提高工 作效率，从而大大降 低维护成本和停机要 求，并且提高缓变率 以增加收益。 优化燃烧控制可以 提高热效率（锅炉效 率），这不仅可以降 低相关成本，而且还 能减少排放和控制浊 度。客户要求艾默生 在重视最小化 CO 和 LOI 的同时，将 NOx 控制在限值以下，以 实现永兴发电站的提 高电站效率和维持良好的控制响应的目标。 在永兴发电站的 1 号和 2 号机组中， SmartProcess 优化软件每秒钟都从 ICMS 接收数据更新， 并执行动态操作。此软件 模拟动态的电站特点，无论当前执行什么 机组活动（如负荷陡升、工厂波动和吹

16、 灰），都将得到持续地优化。建模和优化 软件可动态生成与 ICMS 流程控制器实时 集成的最佳流程设置点和偏移。此软件极 具安全性，并采用运行限制，使推荐的设 置点和偏移能带来安全的运行。 SmartProcess 软件可自动调整众多可变因 素，包括打开辅助风挡板、打开紧耦合过 燃风和辅助过燃风 (SOFA) 挡板、偏置鼓 风机和引风机、定位 SOFA 倾斜、偏置研 磨机出口温度设置点、O2 设置点、定位燃 烧器倾斜、偏置供水/燃料比率以及偏置主 过热器、高温过热器和再热喷流量要求。 请特别注意，虽然优化软件可以处理许多 可变因素，但是操作员仍需始终密切关 注“整个周期”。 他们可以在一个屏幕上查看 所有受影响控制回路的诊断信息，以及优 化活动的许可条件。 优化蒸汽温度需要考虑两方面要素：其 一就是燃烧过程发生变化（如燃料供应系 统或燃烧器发生变化或机组热传输特点发 生变化）时废气与蒸汽之间热交换率的动 态特点。其二就是从最开始出现这些干